KR100676306B1 - 미생물 검출용 센서 및 이를 구비한 정수 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 염소 농도 측정용 센서, 미생물 검출용 센서 및 이를 구비한 정수 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 염소 농도 측정용 센서는 작동 전극의 부식을 방지할 수 있고, 센서의 정확성을 담보할 수 있으며, 센서의 수명을 반영구적으로 연장시킬 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 미생물 검출용 센서는 액체 시료내의 미생물을 정확하게 검출할 수 있다.
염소, 미생물, 측정, 센서, 정수 장치
Description
도 1은 본 발명에 따른 염소 농도 측적용 센서의 바람직한 일 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 미생물 검출용 센서의 바람직한 일 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 정수 장치의 일 예인 본 발명에 따른 센서가 구비된 정수기를 도시한 것이다.
본 발명은 염소 농도 측정용 센서, 미생물 검출용 센서 및 이를 구비한 정수 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 미지 시료에 포함된 다양한 화학물질 또는 생체물질의 존재 또는 그 양을 측정하기 위하여 여러가지 분석 방법들이 개발되어 왔으며, 최근 분석하고자 하는 특정 화학물질 또는 생체물질에 대한 감도가 우수하고 극미량의 시료로도 정확하게 분석할 수 있는 방법들이 개발되고 있다.
특히, 공정의 자동화, 품질관리, 의학적 분석 및 환경 시료의 분석 등을 위하여 짧은 시간 안에 시료를 분석해야 할 필요성이 증가함에 따라 화학물질을 간편하게 분석하는 방법 및 장비 개발에 대한 관심이 증가하고 있다.
용액상에서 전극 반응에 의한 전위차, 전기량, 전도도 값의 변화 등 물질과 전기와의 관계를 다루는 학문이 전기화학이며, 이러한 원리를 이용하여 물질의 화학분석에 이용하는 방법을 전기화학 분석법이라고 한다. 전해질을 포함한 시료 용액에 적당한 전극을 담궈 전기화학 전지를 만들고, 전극 전위를 측정하여 물질을 정량하는 방법을 전위차법(potentiometry), 전극 사이의 전기 저항을 측정하는 방법을 전도도법(conductometry), 전극을 통하여 흐르는 전기량을 측정하는 방법을 전기량법(coulometry), 전류를 측정하여 분석하여 방법을 전류법(amperometry)이라 한다.
이밖에 두 가지 전기적 성질을 동시에 측정하여 분석하는 방법도 있는데, 전류와 전압의 관계를 측정하는 방법을 전류-전압법(voltammetry)이라 하고, 이 방법의 한 가지가 폴라로그래피(polarography)이다. 전류-전압법은 작동전극과 보조전극 간에 공급되는 전압에 따른 전류의 변화를 측정하여 분석 시료에 대한 정보를 얻어내는 전기화학적 분석 방법의 일종으로 1920년대 초 체코의 화학자 헤이로브스키(Heyrovsky)에 의해 폴라로그래피라는 이름으로 발명되었다. 이후 기기 장치의 발전과 더불어 폴라로그래피는 0.5 mg/L 이하의 농도까지의 미량 금속 및 유기 성분을 측정할 수 있게 발전되어 왔다.
한편, 최근 생활수준이 향상됨에 따라 음용수 뿐만 아니라 세정수 등과 같은 일반 생활 용수에 대해서도 더 깨끗한 수질이 요구되고 있다. 상기 요구에 부응하여 최근 각광받고 있는 것이 바로 정수기, 연수기, 가습기, 비데 등의 정수 가전 제품이다. 상기 정수 가전에 사용되는 물은 일정한 수질 이상을 가질 필요가 있고, 특히 정수 가전에 의해 정수되어 나오는 물의 수질은 우수하여야 한다.
일반적으로, 상기 정수 가전에 사용되는 물은 수돗물이다. 수돗물은 가정에 공급되기 전에 정수장에서 소독제 첨가 및 여과 등에 의한 정수 과정을 거친다. 미생물이 다량 함유되어 있는 물을 마시는 경우 수인성 질병이 발생할 수 있으므로, 이를 일정 수준 이하로 감소시키거나 완전히 제거하는 것이 필요하다. 이를 위해, 일반적으로 정수장에서는 미생물 제거를 위한 소독제로서 염소를 첨가하고 있다. 상기 첨가된 염소는 정수 과정 및 각 가정으로 공급되는 과정에서 대기속으로 휘발되어 자연적으로 제거되기도 하지만, 모두 제거되지 못하고 일부는 물속에 잔류하게 되며, 일정 이상 농도로 함유되는 경우 인체에 해를 미칠 가능성이 있다.
정수기, 연수기, 가습기 및 비데 등과 같은 정수 가전은 상기 미생물 및 염소를 허용가능한 농도로 낮추는 역할을 한다. 하지만, 오랜 사용 등으로 인하여 필터의 기능이 감소한 경우 미생물 및 염소를 효율적으로 여과할 수 없는 문제가 발생한다. 따라서, 상기 정수 가전의 여과 단계를 거친 물의 수질, 특히 미생물 농도 및 염소 농도를 측정할 수 있는 센서 또는 장치가 필요한 실정이다.
물 내의 미생물 또는 염소 농도를 측정할 수 있는 방법 또는 장치는 종래에도 있어 왔다. 예컨대, 물 내의 염소 농도의 측정법으로서 SNORT법(Stabilized Neutral Orthotolidine Method), DPD법(N,N-diethyl-p-phenylenediamine)과 같은 시약을 사용하는 방법이 있지만 실시간 모니터링이 어려울 뿐만 아니라, 시약 사용과 폐액 처리 등의 문제점으로 인하여 정수장이 아닌 가정에서 사용하기는 어렵다. 또한, 전기측정법을 사용하는 측정기의 경우 대부분 수입에 의존하고 있어 고가의 수입 비용이 소요될 뿐만 아니라, 일정한 시간 후에는 전극을 교체해야 하는 문제점이 있었다.
본 발명자들은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 연구를 계속한 결과, 미생물 및 염소 농도를 효과적으로 측정할 수 있는 신규한 센서를 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 염소 농도 측정용 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 미생물 검출용 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 염소 농도 측정용 센서 또는 미생물 검출용 센서를 구비하는 정수 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 a) 전압 측정 수단; b) 상기 전압 측정 수단에 연결된 기준 전극; c) 상기 전압 측정 수단에 병렬로 연결된 스위치(105) 및 스위치(106); d) 상기 스위치(105) 및 스위치(106) 각각에 직렬로 연결된 일차 및 이차 작동 전극; e) 상기 일차 작동 전극에 병렬로 연결된 스위치(101) 및 스위치(103); f) 상기 이차 작동 전극에 병렬로 연결된 스위치(102) 및 스위치(104); 및 g) 상기 스위치(101) 및 스위치(102)가 병렬로 연결되고 상기 스 위치(103) 및 스위치(104)가 병렬로 연결된 전원 공급 수단을 포함하고, 상기 스위치들(101, 104, 106) 및 스위치들(102, 103, 105)이 교대로 개폐되는 것을 특징으로 하는 염소 농도 측정용 센서를 제공한다.
본 발명에 따른 염소 농도 측정용 센서에 있어서, 상기 기준 전극은 Ag/AgCl 전극인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 염소 농도 측정용 센서에 있어서, 상기 작동 전극은 Ag 전극인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 염소 농도 측정용 센서에 있어서, 상기 스위치들의 개폐는 제어부에 의해 제어되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 a) 전원 공급 수단; b) 상기 전원 공급 수단에 연결된 미생물 부착을 저해하는 물질로 이루어진 전극; c) 상기 전원 공급 수단에 병렬로 연결된 저항 및 전압 측정 수단; 및 d) 상기 저항 및 전압 측정 수단이 병렬로 연결된 미생물 부착이 용이한 물질로 이루어진 전극을 포함하는 미생물 검출용 센서를 제공한다.
본 발명에 따른 미생물 검출용 센서에 있어서, 상기 미생물 부착을 저해하는 물질은 금, 은, 백금, 이리듐, 지르코니움 또는 티타니움인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 미생물 검출용 센서에 있어서, 상기 미생물 부착이 용이한 물질은 탄소, 흑연 분말 60 중량% 및 실리콘 40 중량%의 혼합물 또는 0.01 mm 이하의 미세 금선을 0.01 mm 이하의 간격으로 도금한 유리판인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 염소 농도 측정 용 센서 또는 미생물 검출용 센서를 구비하는 정수 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 정수 장치는 상기 염소 농도 측정용 센서 및 미생물 검출용 센서를 함께 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 정수 장치는 정수기, 연수기, 가습기 또는 비데일 수 있다.
본 발명에 따른 정수 장치는 추가적으로 제어부 및 상기 제어부에 의해 제어되는 표시부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 표시부는 필터 교환 시기 또는 수조 소독 시기를 알려주는 알람 장치 또는 LED일 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 염소 농도 측적용 센서의 바람직한 일 예를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 염소 농도 측적용 센서는 전압 측정 수단(107), 상기 전압 측정 수단(107)에 연결된 기준 전극(109) 및 상기 전압 측정 수단(107)에 병렬로 연결된 2개의 작동 전극(108, 110)을 포함한다. 상기 작동 전극(108, 110) 및 전압 측정 수단(107) 사이에 각각 스위치(105) 및 스위치(106)가 연결된다. 또한, 상기 작동 전극(108, 110) 사이에 전원 공급 수단(111)이 연결되고, 상기 연결부에는 4개의 스위치(101, 102, 103, 104)를 포함한다. 상기 스위치(101) 및 스위치(103)은 상기 일차 작동 전극(108)에 병렬로 연결되고, 상기 스위치(102) 및 스위치(104)는 상기 이차 작동 전극(110)에 병렬로 연결된다. 동시에 상기 스위치(101) 및 스위치(102)는 상기 전원 공급 수단에 병렬로 연결되고, 상기 스위치(103) 및 스위치(104)는 상기 전원 공급 수단에 병렬로 연결된다.
상기 전압 측정 수단으로서 전위차계(potentiometer)가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 염소 농도 측정용 센서에 있어서, 시료 용액에 담궈지는 부분은 상기 기준 전극(109) 및 2개의 작동 전극(108, 110)이다.
상기 기준 전극(109)은 시료 용액의 조건에 관계없이 항상 일정한 전위를 유지하고, 상기 2개의 작동 전극(108, 110)은 시료 용액 중에 존재하는 잔류 염소의 농도에 따라 전위가 변하게 된다. 따라서, 시료 용액 중 잔류 염소 농도에 따른 작동 전극에서의 전압 변화를 측정함으로써 시료 용액 중의 잔류 염소 농도를 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 염소 농도 측정용 센서에 있어서, 상기 기준 전극은 Ag/AgCl 전극인 것이 바람직하고, 상기 작동 전극은 Ag 전극인 것이 바람직하다. 상기 작동 전극으로서 Ag를 사용하는 경우 인체에 유해한 물질이 발생할 가능성은 전혀 없다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 염소 농도 측정용 센서는 상기 스위치들(101, 104, 106) 및 스위치들(102, 103, 105)이 교대로 개폐된다. 상기 스위치들의 개폐는 제어부(미도시)에 의해 제어되는 것이 바람직하다.
염소는 물 중에서 다음과 같이 대부분 가수분해된다.
Cl2 + H2O → HOCl + H+ + Cl- (pK1 = 4.6)
상기 HOCl은 물의 수소이온 농도에 따라 다음과 같이 이온화된다.
HOCl → H+ + ClO- (pK2 = 7.5)
도 1에 있어서, 스위치(101, 104, 106)이 폐쇄되고 스위치(102, 103, 105)가 개방되는 경우, 본 발명에 따른 염소 농도 측정용 센서는 전압 측정 수단(107), 상기 전압 측정 수단(107)에 연결된 기준 전극(109), 상기 전압 측정 수단(107)에 연결된 이차 작동 전극(110), 상기 일차 작동 전극에 연결된 전원 공급 장치(111) 및 상기 전원 공급 장치에 연결된 일차 작동 전극(108)으로 구성된다. 상기 센서에 전원이 공급되면, 일차 작동 전극(108) 및 이차 작동 전극(110)에서의 반응은 다음과 같다.
일차 작동 전극(환원): Ag+ + e- → Ag
이차 작동 전극(산화): HOCl + H+ + 2e- → Cl- + H2O
상기에서와 같이, 상기 이차 작동 전극(110)은 물 속의 염소산 농도에 따라 산화되어, 전압의 변화를 나타낸다. 반면, 상기 일차 작동 전극(108)은 환원되어 리프레쉬(refresh)된다.
반대로, 스위치(101, 104, 106)이 개방되고 스위치(102, 103, 105)가 폐쇄되는 경우, 본 발명에 따른 염소 농도 측정용 센서는 전압 측정 수단(107), 상기 전압 측정 수단(107)에 연결된 기준 전극(109), 상기 전압 측정 수단(107)에 연결된 일차 작동 전극(108), 상기 일차 작동 전극(108)에 연결된 전원 공급 장치(111) 및 상기 전원 공급 장치(111)에 연결된 이차 작동 전극(110)으로 구성된다. 상기 센 서에 전원이 공급되면, 상기 경우와는 반대로, 상기 일차 작동 전극(108)은 물 속의 염소산 농도에 따라 산화되어 전압의 변화를 나타내고, 상기 이차 작동 전극(110)은 환원되어 리프레쉬(refresh)된다.
본 발명에 따른 염소 농도 측정용 센서는 연속적인 스위치 교체 작동에 의해 작동 전극의 산화 및 환원 반응이 일어남으로써, 작동 전극의 부식을 방지할 수 있고 센서의 정확성을 담보할 수 있으며, 센서의 수명을 반영구적으로 연장시킬 수 있는 장점을 갖는다.
시료 액체 내의 작동 전극의 전압 변화가 일정 범위를 벗어나면, 상기 시료 액체 내에 함유되어 있는 염소의 농도가 높은 것으로 판단할 수 있다. 상기 일정 범위의 전압 변화는 당업자에 의해 용이하게 설정될 수 있다. 예컨대, 상기 전압 변화는 50~300 mV일 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 미생물 검출용 센서의 바람직한 일 예를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 미생물 검출용 센서는 미생물 부착을 저해하는 물질로 이루어진 전극(202) 및 미생물 부착이 용이한 물질로 이루어진 전극(205)을 포함한다.
상기 미생물 부착을 저해하는 물질은 금, 은, 백금, 이리듐, 지르코니움 또는 티타니움인 것이 바람직하고, 상기 미생물 부착이 용이한 물질은 탄소, 흑연 분말 60 중량% 및 실리콘 40 중량%의 혼합물 또는 0.01 mm 이하의 미세 금선을 0.01 mm 이하의 간격으로 도금한 유리판인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 미생물 검출용 센서는 상기 미생물 부착이 용이한 물질로 이루어진 전극(205)에 병렬로 연결된 저항(203) 및 전압 측정 수단(204), 상기 저항(203) 및 전압 측정 수단(204)이 병렬로 연결되고 상기 미생물 부착을 저해하는 물질로 이루어진 전극이 연결되는 전원 공급 수단(201)을 포함한다.
수조 내부에 증식하는 미생물의 특징은 빈영양 상태에서 유기물을 활용할 수 있으며, 또한 유기물이 수조의 벽면에 부착하여 벽면에 유기물의 농도가 증가하는 특징이 있기 때문에 벽면에 부착하여 증식하는 경향이 있다. 따라서 미생물 부착을 저해하는 물질로 이루어진 전극 및 미생물 부착이 용이한 물질로 이루어진 전극을 사용하여, 두 전극간의 전압 차이를 비교함으로서 단시간에 수조 내에서 증식하는 미생물의 존재를 검출할 수 있다. 전극에 부착한 미생물은 미호기 상태에서 대사 노폐물을 분비하기 때문에 전극의 전위는 직접적인 영향을 받게 된다. 두 전극의 전위 차이를 미생물의 군체와 비교하여 측정한 후 인체에 악영향을 미치지 않는 기준치 한도 이내에서 미생물의 개체수를 통제할 수 있는 전위차이의 실험적 파라미터를 적용하면 용이하게 수조를 소독하고 수조 내의 물을 교체할 수 있는 시기를 사용자에게 알려 주게 된다. 상기 전위 차이의 실험적 파라미터는 당업자에 의해 용이하게 설정될 수 있을 것이다.
본 발명의 또 다른 일면은 상기 염소 농도 측정용 센서 또는 미생물 검출용 센서를 구비하는 정수 장치에 관한 것이다.
상기 정수 장치는 정수기, 연수기, 가습기 또는 비데일 수 있으며, 그의 종류에 특별히 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명에 따른 정수 장치의 일 예인 본 발명에 따른 센서가 구비된 정수기를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 통상적인 정수기는 수돗물(301)을 수용한 후에, 상기 수돗물을 여러개의 필터(302)를 통해 여과시키고, 상기 여과된 물(304)을 저장기(303)에 저장시키며, 사용자의 요청에 따라 물을 조금씩 배출시킨다.
본 발명에 따른 정수 장치는 본 발명에 따른 염소 농도 측정용 센서 및/또는 미생물 검출용 센서를 다양한 부위에 구비할 수 있다. 다시 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 염소 농도 측정용 센서 및/또는 미생물 검출용 센서는 정수기의 필터 전 부위(A), 필터와 저장기 사이 부위(B) 또는 저장기 내(C)에 설치될 수 있다.
상기와 같이 정수기의 필터 전 부위(A)에 설치되는 경우 수돗물 자체의 염소 농도 및 미생물 존재 여부를 측정할 수 있다. 또한, 필터와 저장기 사이 부위(B)에 설치되는 경우 필터에 의해 여과된 물의 염소 농도 및 미생물 존재 여부를 측정할 수 있어 필터의 성능 또는 교체 시기를 결정할 수 있다. 또한, 저장기 내(C)에 설치하는 경우 저장기 내에 저장된 물의 염소 농도 및 미생물 존재 여부를 측정할 수 있어 저장기의 청소 또는 저장기 내의 물의 교환 시기를 결정할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 정수 장치는 상기 한 부위에 염소 농도 측정용 센서 및/또는 미생물 검출용 센서를 구비할 수 있지만, 2개 이상의 부위에 구비하는 것이 보다 바람직하다.
예컨대, 본 발명에 따른 센서를 필터 전 부위(A) 및 필터와 저장기 사이 부위(B)에 설치하는 경우, 수돗물에 연결된 파이프로부터 필터로 유입되는 물과 필터 를 통해 여과된 물의 염소 농도 및 미생물 농도를 비교함으로써 필터의 교환시기를 예측할 수 있다. 상기 필터 전 부위(A) 및 필터와 저장기 사이 부위(B)에 각각 설치된 2개의 센서는 제어부(microprocessor)에 연결될 수 있다. 상기 제어부에 연결된 2개의 센서 값의 전위차 값에 따라, 이를 사용자에게 소정 횟수의 경보음과 시각적인 점소 등의 형태로 알려 줄 수 있다.
마찬가지로, 본 발명에 따른 센서를 필터 전 부위(A) 및 저장기 내(C)에 설치하는 경우, 수돗물에 연결된 파이프로부터 필터로 유입되는 물과 여과되어 저장기 내에 저장되어 있는 물의 염소 농도 및 미생물 농도를 비교함으로써 저장기의 청소 또는 물의 교체 시기를 예측할 수 있다. 상기 필터 전 부위(A) 및 필터와 저장기 내(C)에 각각 설치된 2개의 센서는 제어부(microprocessor)에 연결될 수 있다. 상기 제어부에 연결된 2개의 센서 값의 전위차 값에 따라, 이를 사용자에게 소정 횟수의 경보음과 시각적인 점소 등의 형태로 알려 줄 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 염소 농도 측정용 센서는 작동 전극의 부식을 방지할 수 있고, 센서의 정확성을 담보할 수 있으며, 센서의 수명을 반영구적으로 연장시킬 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 미생물 검출용 센서는 액체 시료내의 미생물을 정확하게 검출할 수 있다.
Claims (7)
- a) 전원 공급 수단;b) 상기 전원 공급 수단에 연결된 미생물 부착을 저해하는 물질로 이루어진 전극;c) 상기 전원 공급 수단에 병렬로 연결된 저항 및 전압 측정 수단; 및d) 상기 저항 및 전압 측정 수단이 병렬로 연결된 미생물 부착이 용이한 물질로 이루어진 전극을 포함하는 미생물 검출용 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 미생물 부착을 저해하는 물질은 금, 은, 백금, 이리듐, 지르코니움 또는 티타니움인 것을 특징으로 하는 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 미생물 부착이 용이한 물질은 탄소, 흑연 분말 60 중량% 및 실리콘 40 중량%의 혼합물 또는 0.01 mm 이하의 미세 금선을 0.01 mm 이하의 간격으로 도금한 유리판인 것을 특징으로 하는 센서.
- 제 1항의 미생물 검출용 센서를 구비하는 정수 장치.
- 제 4항에 있어서,상기 정수 장치는 정수기, 연수기, 가습기 또는 비데인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 4항에 있어서,추가적으로 제어부 및 상기 제어부에 의해 제어되는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정수 장치.
- 제 6항에 있어서,상기 표시부는 필터 교환 시기 또는 수조 소독 시기를 알려주는 알람 장치 또는 LED인 것을 특징으로 하는 정수 장치.
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